非熔化极气体保护焊在汽车行业的应用

非熔化极气体保护焊在汽车行业的应用 自19世纪德国工程师卡尔?本茨与戴姆勒分别发明三轮和四轮的汽车开始，汽车很快就从一种实验性的发明转变为关联产业最广、工业技术波及效果最大的综合性工业，和钢铁、建筑并列工业化的“三大支柱”。一百多年的历史，“汽车王国”的美誉从欧洲转移到美国，再到日本，汽车行业的发展经历很多波折，也取得乐巨大成就。专家们认为，汽车是当前世界最主要的交通工具，在将来它仍然是世界上的主要交通工具，别的任何开工交通工具都不可能完全把汽车取代。虽然新材料势头很猛，但金属，尤其是有色金属仍然在汽车领域的基石，相关的焊接技术仍将是将来很长时间内研究重点。 随着汽车工业的发展和政府法规的日益严格,汽车工业对轻量化、安全、排放、降低成本控制及燃料经济性的要求越来越高。目前，钢铁材料约占汽车自身质量从65%-85%降至51%-65%，于是铜受到了更多的关注与开发。近年来，铝、镁、钛合金材料凭其密度低、比强度和比刚度均高、导热导电性能好、阻尼减震性和电磁屏蔽性强、易加工成形、废料易回收等优点，开始越来越被各国政府和各汽车厂商的重视。 1 应用于汽车的金属材料 1.1钢铁材料 [1]现在汽车工业所用的钢铁材料主要是合金结构钢和先进的高强度钢，前者 主要用于制造汽车传动系统和发动机的重要构件, 用于改善提高汽车 的安全性, 可靠性和驾乘的舒适性; 后者主要用于制造汽车的车身构件以提高车身构件的碰撞能力, 减轻汽车质量, 保证汽车的安全、轻量化、符合碰撞、油耗和排放法规。 汽车行业常用的镁合金系是Mg-A1系，为改善合金的性能如韧性、耐高温性、耐腐蚀性，在Mg-A1系的基础上添加一系列合金元素形成了AZ(Mg-Al-Zn)、AM (Mg-Al-Mn)、AS (Mg-A1-Si)、AE(Mg-AI-RE)系列合金。目前AZ 及AM 这两种系 突出的抗腐蚀特性和热交换性使得铜在汽车制冷领域的使用不断增长，铜式水箱广泛应用于汽车散热器。 2 汽车工业中非熔化极气体保护焊的应用 非熔化极气体保护焊(GTAW)，一般又都是指钨极氩弧焊(TIG)，如图1所示。电极是用高熔点的钨或钨合金制成的，所以在焊接过程中没有损耗。如果有需要的话，可以用填充棒料或焊丝给焊缝提供金属。几乎所有的金属都能由钨极 氩弧焊来焊接，包括大多数的钢、铝合金、镁合金、铜、某些黄铜和青铜、钛、金和银，该工艺能够给薄板提供高质量焊接。 图1 钨极氩弧焊示意图 2.1铝及铝合金的TIG焊[5] 2.1.1铝及铝合金TIG焊的优点 钨极氩弧焊焊接铝及铝合金，可以利用其“阴极雾化”的特点，自行去除氧化膜。钨极及焊缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽保护，防止焊缝区和周围空气的反应。这种焊接方式的热变形小，接头形式可以不受限 制，焊缝成形良好、表面光亮。 汽车工业常用的工艺方法是交流脉冲焊，通过调整工艺参数(电弧电压、焊接电流、、焊接速度、脉冲时间及周期)，既能清理铝合金表面的氧化膜，又能提高电弧可控性，满足生产要求。比如，用低频TIG焊易于获得均匀的熔深，并且焊缝根部均匀熔透，能很好地实现单面焊接双面成形;用高频TIG焊可以完成高速焊接，并能细化晶粒，提高焊缝机械性能。另外，有的场合也会采用直流正极性焊接(钨极接负)，这样热量产生于工件表面形成深熔透，母材却几乎不变形，对一定尺寸的电极可采用更大的焊接电流。虽然很少采用直流反极性焊接(钨极接正)的方法来焊接铝，但在连续焊或补焊薄壁组件时有熔深浅、电弧易控制、良好的净化作用。 2.1.2铝及铝合金TIG焊的常见缺陷及防止措施 ?气孔 产生原因:氩气纯度低、含水分或漏气等;焊丝或母材坡口附近焊前未清理干净或清理后再次污染;焊接电流和焊速过大;保护气流量控制不当，电弧不稳定或电弧电压过大;钨极伸出过长等。 防止措施:确保氩气的纯度达到要求，并选择合适的气体流量;焊前认真清理焊丝和焊件，清理后及时焊接;调整好钨极伸出长度;正确选择焊接工艺参数。 ?裂纹 产生原因:焊丝合金成分选择不当;焊缝中Si、Mn等元素含量偏高，会引发热影响区液化裂纹;焊接结构设计不合理，受热过于集中或温度过高，造成接头热应力过大;高温停留时间长，组织过热;弧坑没填满，出 现弧坑裂纹等。 防止措施:正确选择成分与母材要匹配的焊丝;正确设计焊接结构，合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处，并选择合适的焊接顺序;减小焊接电流或适当增加焊接速度。 ?未焊透 产生原因:焊接速度过快，弧长过大，焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过 小，钝边过大;工件坡口边缘的毛剌、底边的污垢焊前没有除净;焊炬与焊丝倾角不正确。 防止措施:正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接工艺参数;加强氧化膜、熔剂、熔渣和油污的清理;提高工艺水平。 ?焊缝夹钨 产生原因:接触引弧所致;钨极末端形状与焊接电流选择不合理，焊接过程中尖端脱落;焊丝触及到热钨尖端;错用氧化性气体等。 防止措施:采用高频高压脉冲引弧;根据电流波形选用合理的钨极尖端形状;减小焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极伸出长度;更换惰性气体;提高操作技能，避免焊丝与钨极接触。 ?咬边 产生原因:焊接电流太大，电弧电压太高，焊炬摆幅不均匀，填丝太少，焊接速度过快。 防止措施:减小焊接电流与电弧电压，保持焊炬摆幅均匀，适当增加送丝速度。 2.2镁及镁合金的TIG焊[6] 由于镁的物理、化学性质均和铝相似，因此用TIG焊接镁合金也和焊接铝合金基本相似。其主要的优点是热影响区尺寸及热变形比较小，焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高，无论有无填充金属的情况下均可以进行焊接，是目前汽车工业焊接镁合金最常用的方法。TIG焊中钨极与焊丝独立，这就克服MIG 焊接范围窄的缺点，可以在较宽的工艺条件下进行稳定焊接，尤其适合于镁合金薄板的焊接。另外，同铝合金一样，镁合金TIG焊接常使用使用交流电源，以兼顾去除氧化膜和焊缝成型的要求。但是由于镁合金热膨胀系数大，易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷，因此需要采用夹具固定、坡口处理和焊前焊后热处理等措施，以保证获得完整的焊接接头。焊接过程中还会存在气孔、夹杂和热裂纹等缺陷。 3 非熔化极气体保护焊在汽车工业中的前景展望 科学技术的发展与进步是飞速的, 现代汽车制造材料的构成已经发生了很大的变化，金属的应用范围在不断扩大。从上世纪90 年代开始, 汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展，因此铝、镁、钛等及其合金在现代汽车的发展中将扮演越来越重要重要的角色。通过多年来对各种焊接工艺对铝、镁、钛及其合金进行的试验，TIG焊接无论从成本还是适用性来说都是一种非常适合的焊接方式。而且，随着激光焊接技术的兴起，激光-TIG 复合焊技术也被开发出来，这种方法能充分发挥激光焊和氩弧焊各自的优点，实现高效率焊接，且可以明显改善接头的综合性能，是汽车工业中一种全新的焊接技术。 4 参考文献 [1] 马鸣图.汽车结构用钢的进展.汽车工程.2005,27(3) [2] 陆刚.铝、镁、钛合金材料在汽车工业中的应用和发展.上海有色金 属.2006,27(2) [3] 杨遇春.钛在汽车工业中的应用及降低钛材成本的工艺.中国工程科 学.2005,7(8) [4] 李仕慧,王英杰.汽车用镁合金焊接的研究进展.金属铸锻焊技术.2010,12 [5] 杨春利,林三宝主编.电弧焊基础.哈尔滨工业大学出版社.2010,9(2) [6] 李仕慧,王英杰.汽车用镁合金焊接的研究进展.金属铸锻焊技术.2010,12